JP2005207399A - 内燃機関および内燃機関の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃焼室への混合気の空燃比を理論空燃比に保つストイキ運転領域を拡大して機関効率を向上させることができる内燃機関およびその運転方法の提供。
【解決手段】 燃焼室２の内部で燃料と空気との混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関１は、燃焼室２から排出される排気ガスを利用して燃焼室２に吸入される空気を過給する過給機２０と、燃焼室２から過給機２０に供給される排気ガスの量を調整するためのウェイストゲートバルブ２５と、ＥＵＣ５０とを備え、ＥＣＵ５０は、過給機２０のタービン入口温度が所定値を超えると判断される場合に、過給機２０に流入する排気ガスの量が減少するようにウェイストゲートバルブ２５を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃焼室内で燃料と空気との混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関およびその運転方法に関し、特に、排気ガスを利用して燃焼室に吸入される空気を過給する過給機を備えた内燃機関およびその運転方法に関する。

従来から、機関効率を向上させるために、電子制御可能なスロットルバルブ（絞り弁）と過給機とを備えた内燃機関が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この内燃機関では、アクセルペダルの変位が５０％までの領域において、所望の機関出力が得られるように、スロットルバルブの開度が電子制御される。また、アクセルペダルの変位が５０％以上となる領域では、ウェイストゲートバルブによって過給機に流入する排気ガスの流量を調節することにより過給圧が制御され、これにより、所望の機関出力が得られる。

特開平０７−１５０９９０号公報

しかしながら、排気ガスの温度が高い場合、ウェイストゲートバルブの設定によっては、過給機の排ガス入口温度（タービン入口温度）が過剰に上昇してしまうことがある。このような場合、排気ガスの温度を低下させるべく、燃焼室への燃料供給量を増加させることになるが、これでは、燃焼室への混合気の空燃比を概ね理論空燃比に保つストイキ運転を実行することが困難となり、機関効率を低下させてしまうおそれがある。

そこで、本発明は、燃焼室への混合気の空燃比を理論空燃比に保つストイキ運転領域を拡大して機関効率を向上させることができる内燃機関およびその運転方法の提供を目的とする。

本発明による内燃機関は、燃焼室内で燃料と空気との混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関において、燃焼室から排出される排気ガスを利用して燃焼室に吸入される空気を過給する過給機と、燃焼室から過給機に供給される排気ガスの量を調整するための排ガス流量調整手段と、過給機の排ガス入口温度が所定値を超えると判断される場合に、過給機に流入する排気ガスの量が減少するように排ガス流量調整手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

この内燃機関では、過給機の排ガス入口温度が所定値を超えると判断される場合、制御手段によって排ガス流量調整手段が制御され、過給機に流入する排気ガスの量が減少させられる。これにより、過給機の排ガス入口（タービン入口）の過剰な昇温を抑制することが可能となり、排気ガスの温度を低下させるために燃焼室への燃料供給量を増加させる必要がなくなる。従って、この内燃機関では、燃焼室への混合気の空燃比を理論空燃比に保つストイキ運転領域を拡大して機関効率を向上させることができる。

また、本発明による内燃機関は、燃焼室に吸入される空気の量を調整するためのスロットルバルブを更に備え、制御手段は、過給機の排ガス入口温度が所定値を超えると判断される場合に、過給機に流入する排気ガスの量が減少するように排ガス流量調整手段を制御すると共に、燃焼室に吸入される空気の量が増加するようにスロットルバルブを制御するものであると好ましい。

このように、過給機の排ガス入口（タービン入口）の過剰な昇温を抑制すべく、過給機に流入する排気ガスの量を減少させた場合には、燃焼室に吸入される空気の量を増加させることにより、過給圧の低下に起因するトルクの低下を抑制して所望のトルクを確保することができる。

本発明による内燃機関の運転方法は、排気ガスを利用して燃焼室に吸入される空気を過給する過給機を備え、燃焼室内で燃料と空気との混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関の運転方法において、過給機の排ガス入口温度が所定値を超えると判断される場合に、過給機に流入する排気ガスの量を減少させることを特徴とする。

この場合、過給機の排ガス入口温度が所定値を超えると判断される場合に、過給機に流入する排気ガスの量を減少させる一方、燃焼室に吸入される空気の量を増加させると好ましい。

本発明によれば、燃焼室への混合気の空燃比を理論空燃比に保つストイキ運転領域を拡大して機関効率を向上させることができる内燃機関およびその運転方法の実現が可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明による内燃機関を示す概略構成図である。同図に示される内燃機関１は、車両用の多気筒内燃機関（例えば、４気筒内燃機関、ただし、図１には１気筒のみが示される。）として構成されており、各燃焼室２内での混合気の燃焼によりピストン３を往復移動させて、クランクシャフトＳから動力を得るものである。なお、ここでは、内燃機関１は、いわゆるガソリンエンジンとして説明されるが、これに限られるものではなく、本発明がディーゼルエンジンにも適用され得ることはいうまでもない。

図１に示されるように、各燃焼室２に連なる吸気ポート４は、吸気マニホールドを介して吸気管６にそれぞれ接続され、各燃焼室２に連なる排気ポート５は、排気マニホールドを介して排気管７にそれぞれ接続されている。また、内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポート４を開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポート５を開閉する排気弁Ｖｅとが燃焼室２ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは、動弁機構８によって開閉させられ、この動弁機構８は、吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅの少なくとも何れか一方の開弁特性を変化させることができる可変バルブタイミング機構（開弁特性設定手段）を含む。更に、内燃機関１は、気筒数に応じた数の点火プラグ９を有し、点火プラグ９は、対応する燃焼室２内に臨むようにシリンダヘッドに配設されている。

また、内燃機関１は、筒内噴射用インジェクタ１０ｃを気筒数に応じた数だけ有している。各筒内噴射用インジェクタ１０ｃは、ガソリン等の燃料を対応する燃焼室２の内部に直接噴射可能なものであり、燃料供給管を介してガソリン等の液体燃料を貯留する燃料タンク（何れも図示省略）に接続されている。加えて、内燃機関１は、図１に示されるように、複数のポート噴射用インジェクタ１０ｐを気筒数に応じた数だけ有している。各ポート噴射用インジェクタ１０ｐは、ガソリン等の燃料を対応する吸気ポート４の内部に噴射可能なものであり、図示されない燃料供給管を介してガソリン等の液体燃料を貯留する上記燃料タンクに接続されている。筒内噴射用インジェクタ１０ｃは、燃焼室２ごとに少なくとも１体ずつ備えられ、ポート噴射用インジェクタ１０ｐも、吸気ポート４ごとに少なくとも１体ずつ備えられる。

一方、吸気管６は、図１に示されるように、サージタンク１１に接続されている。このサージタンク１１は、給気管１２を介してエアクリーナ１４に接続されており、吸入空気中のゴミや塵等は、エアクリーナ１４によって除去される。また、給気管１２の中途には、吸入空気量を調節するスロットルバルブ１５が設置されている。本実施形態では、スロットルバルブ１５として、アクセルペダルＡＰの操作量（踏込量）を検出するアクセル位置センサ１５ａ、スロットルバルブ１５を開閉するためのスロットルモータ１５ｂおよびスロットルバルブ１５の開度を検出するスロットル開度センサ１５ｃを含む電子制御式スロットルバルブが採用されている。更に、給気管１２には、エアクリーナ１４に流入した空気の量を求めるための吸気量センサ１３と、スロットルバルブ１５に流入する空気の量を求めるための吸気量センサ１６とが配置されている。なお、吸気量センサ１６としては、エアフローメータや圧力センサが利用される。

また、排気管７は、図１に示されるように、例えばＮＯｘ吸蔵還元触媒を含む触媒装置１７に接続されており、この触媒装置１７において各燃焼室２からの排気ガスが浄化される。そして、触媒装置１７には、触媒床温を取得するための温度センサ１８が備えられる。なお、内燃機関１に、排気管７から吸気系統のサージタンク１１に向けて排気ガスを還流させるためのＥＧＲ（Exhaust Gas Recircu1ation）流路が設けられてもよい。この場合、ＥＧＲ流路の中途には、排気ガスの還流量を調節するためのＥＧＲ弁が備えられる。

更に、上述の内燃機関１は、高出力化と低燃費化との双方を達成できるよう、過給機（ターボチャージャ）２０を備えている。過給機２０は、図１に示されるように、タービンインペラ（タービン要素）２１と、圧縮機インペラ（圧縮機要素）２２とを含む。タービンインペラ２１と圧縮機インペラ２２とは、回転軸２３により互いに連結されて一体化している。図１に示されるように、タービンインペラ２１は、排気管７と触媒装置１７との間に組み込まれたケーシングの内部に回転自在に配置されている。圧縮機インペラ２２は、給気管１２のエアクリーナ１４とスロットルバルブ１５との間に組み込まれたケーシングの内部に回転自在に配置されている。これにより、各燃焼室２からの排気ガスによって回転させられるタービンインペラ２１により圧縮機インペラ２２を回転駆動することが可能となり、圧縮機インペラ２２により、エアクリーナ１４を介して吸入された空気を圧縮（過給）することができる。

また、排気管７に対しては、過給機２０をバイパスするバイパス流路２４が設けられており、この流路の中途には、弁体と、この弁体を移動させるアクチュエータとを含むウェイストゲートバルブ（排ガス流量調整手段）２５が設置される。ウェイストゲートバルブ２５のアクチュエータは、バルブ制御ユニット２６に接続されており、バルブ制御ユニット２６を介してアクチュエータを制御することにより、各燃焼室２から過給機２０（タービンインペラ２１）に供給される排気ガスの量を変化させて過給圧を調整することができる。すなわち、ウェイストゲートバルブ２５の開度を増加させると、タービンインペラ２１に流入する排気ガスの量が減少して過給圧が低下する。また、ウェイストゲートバルブ２５の開度を減少させると、タービンインペラ２１に流入する排気ガスの量が増加して過給圧が高まる。

更に、内燃機関１は、過給機２０（圧縮機インペラ２２）とスロットルバルブ１５との間に位置するように給気管１２に組み込まれたインタークーラ２７を含む。インタークーラ２７は、圧縮機インペラ２２によって圧縮されて昇温した吸入空気を冷却することにより、充填効率を向上させるものである。インタークーラ２７としては、例えば空冷式または液冷式の熱交換器が採用される。また、給気管１２には、過給機２０（圧縮機インペラ２２）の上流側と下流側とをバイパスする流路２８が設けられており、この流路２８は、その中途に設けられたエアバイパス弁２９によって開閉される。エアバイパス弁２９としては、電気的に開閉制御し得るバルブが用いられるとよく、圧縮機インペラ２２の下流側の圧力が上流側の圧力よりも所定値だけ高まった際に開弁する機械式一方向弁が用いられてもよい。

そして、上述の内燃機関１は、制御手段として機能する電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５０を含む。ＥＣＵ５０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および、各種情報やマップ等が記憶される記憶装置等を含むものである。このＥＣＵ５０の入出力ポートには、上述の動弁機構８、各インジェクタ１０ｃ，１０ｐ、アクセル位置センサ１５ａ、スロットルモータ１５ｂ、スロットル開度センサ１５ｃ、吸気量センサ１３および１６、温度センサ１８、クランク角センサ１９、バルブ制御ユニット２６、更には、エアバイパス弁２９等が接続されている。ＥＣＵ５０は、記憶装置に記憶されている各種マップ等を用いると共に、各種センサの検出値等に基づいて、動弁機構８、点火プラグ９、インジェクタ１０ｃおよび１０ｐ、スロットルバルブ１５、バルブ制御ユニット２６等を制御する。

さて、上述のように構成される内燃機関１では、基本的に、各燃焼室２への混合気の空燃比を概ね理論空燃比（λ＝１）に保つストイキ運転が実行されるが、各燃焼室２からの排気ガスの温度が高い場合、過給機２０のタービン入口温度が過剰に上昇して予め定められた制限温度を超えてしまうおそれがある。このような場合、各燃焼室２への燃料供給量を増加させて排気温度を低下させれば、タービン入口温度を低下させることができる。しかしながら、これでは、もはやストイキ運転を実行することが困難となり、機関効率を低下させてしまうことになる。

ここで、図２に示されるように、予め定められた条件の下でストイキ運転が実行されている際にタービン入口温度が予め定められた制限温度となった場合に、内燃機関１が発生するトルクをτ_１とする。この場合、スロットルバルブ１５とウェイストゲートバルブ２５との開度は、それぞれ所定の値となるが（図２における丸印参照）、この状態から、スロットルバルブ１５の開度を変化させることなく、ウェイストゲートバルブ２５の開度だけを増加させると、過給機２０（タービンインペラ２１）に流入する排気ガスの量が減少するので、図２において三角印で示されるように、タービン入口温度は低下する（図２における三角印参照）。

一方、ウェイストゲートバルブ２５の開度を増加させて過給機２０に流入する排気ガスの量を減少させた場合、図２に示されるように、内燃機関１の発生トルクは、τ_０（ただし、τ_０＜τ_１）まで低下することになる。ただし、タービン入口温度が再び制限温度を超えてしまわなければ、上述のようにウェイストゲートバルブ２５の開度を増加させてから（または、これとほぼ同時に）、内燃機関１のトルクを増大化させるために、スロットルバルブ１５の開度を増加させて各燃焼室２に吸入される空気量を増加させても何ら問題はない。

従って、ウェイストゲートバルブ２５の開度とスロットルバルブ１５の開度との増加量をそれぞれ適切に設定することにより、内燃機関１の発生トルクを最大で、従来は排気温度を低下させるために燃焼噴射量を増加させなければ得られなかった値τ_２（ただし、τ_２＞τ_１）にまで増大化させることができる。そして、かかる手法を採用することにより、同一条件のもとでストイキ運転を実行して得られる内燃機関１のトルクを従来（図２における二点鎖線参照）に比して増大化させることが可能となる。

このような点に鑑みて、内燃機関１では、その稼動中にＥＣＵ５０によって、図３に示されるルーチンが所定時間おきに繰り返し実行される。図３のルーチンの実行タイミングになると、ＥＣＵ５０は、まず、アクセル位置センサ１５ａからの信号に基づいてアクセル踏込量を取得すると共に、クランク角センサ１９からの信号に基づいて実際の機関回転数（実回転数）を取得する（Ｓ１０）。アクセル踏込量と実回転数とを取得すると、ＥＣＵ５０は、所定のトルクマップを用いて、アクセル踏込量と実回転数とに対応した目標トルクを求める（Ｓ１２）。更に、ＥＣＵ５０は、所定のマップから、Ｓ１０にて取得した実回転数に対応する閾値τａおよびτｂを読み出す（Ｓ１４）。

閾値τａは、予め定められた条件の下でストイキ運転が実行され、過給機２０のタービン入口温度が制限温度になり、かつ、回転数がある値（Ｓ１０にて取得した実回転数）になった際に内燃機関１が発生するトルク（図２のτ_１に相当）である。また、閾値τｂは、タービン入口温度が制限温度になった際に、上述のようにウェイストゲートバルブ２５の開度とスロットルバルブ１５の開度とを増加させることによって得られるトルク（図２のτ_２に相当）である。これらの閾値τａおよびτｂは、それぞれ実験結果等を踏まえて回転数ごとに予め算出され、本実施形態では、閾値τａを回転数に応じて規定するマップと、閾値τｂを回転数に応じて規定するマップとがＥＣＵ５０の記憶装置に格納されている。

Ｓ１４にて閾値τａおよびτｂを求めると、ＥＣＵ５０は、Ｓ１２にて求めた目標トルクが閾値τａを下回っているか否か判定する（Ｓ１６）。Ｓ１６にて目標トルクが閾値τａを下回っていると判断した場合、ＥＣＵ５０は、タービン入口温度が制限温度を超えておらず、そのままストイキ運転の実行が可能であるとみなし、本ルーチンを一旦終了させ、本ルーチンの次の実行タイミングが到来するまで待機する。

これに対して、Ｓ１６にて目標トルクが閾値τａ以上であり、タービン入口温度が制限温度を超えてしまうであろうと判断した場合、ＥＣＵ５０は、更に、Ｓ１２にて求めた目標トルクが閾値τｂを下回っているか否か判定する（Ｓ１８）。Ｓ１８にて目標トルクが閾値τｂを下回っていると判断した場合、ＥＣＵ５０は、バルブ制御ユニット２６を介してウェイストゲートバルブ２５のアクチュエータを制御し、ウェイストゲートバルブ２５の開度をＳ１０にて取得した回転数に応じた量あるいは所定量だけ増加させて過給機２０に流入する排気ガスの量を減少させる（Ｓ２０）。ＥＣＵ５０は、これとほぼ同時に、スロットルモータ１５ｂを作動させて、スロットルバルブ１５の開度をＳ１０にて取得した回転数に応じた量あるいは所定量だけ増加させる（Ｓ２２）。

このように、内燃機関１では、過給機２０のタービン入口温度が所定の制限温度を超えると判断される場合、ウェイストゲートバルブ２５の開度が増加され、過給機２０（タービンインペラ２１）に流入する排気ガスの量が減少させられる（Ｓ２０）。これにより、過給機２０のタービンインペラ２１の過剰な昇温を抑制することが可能となり、排気ガスの温度を低下させるために各燃焼室２への燃料噴射量を増加させる必要がなくなる。

そして、内燃機関１では、過給機２０に流入する排気ガスの量が減少しても、これを補うように、スロットルバルブ１５の開度が増加され、各燃焼室２に吸入される空気の量が増加させられる（Ｓ２２）。従って、内燃機関１では、図２に関連して説明されたように、タービン入口温度が制限温度を超えてしまうことを抑制すると共に、過給圧の低下に起因するトルクの低下を抑制しつつ、内燃機関１の発生トルクを、従来は排気温度を低下させるために燃焼噴射量を増加させなければ得られなかった値τｂにまで増大化させることができる。この結果、本発明によれば、図４に示されるように、各燃焼室２への混合気の空燃比を理論空燃比に保つストイキ運転領域を拡大して内燃機関１の機関効率を向上させることができる。また、Ｓ２２にてスロットルバルブ１５の開度が増加されることから、ポンピングロスが低減化され、それにより、燃費を向上させることも可能となる。

一方、Ｓ１８にて目標トルクが閾値τｂ以上であると判断した場合、ＥＣＵ５０は、ウェイストゲートバルブ２５の開度とスロットルバルブ１５の開度とを調整しても、タービン入口温度が制限温度を超えてしまうことを抑制しつつ目標トルクを得ることができないとみなし、筒内噴射用インジェクタ１０ｃあるいはポート噴射用インジェクタ１０ｐからの燃焼噴射量を所定量だけ増加させる（Ｓ２４）。これにより、過給機２０のタービン入口温度が制限温度を超えてしまうことを確実に抑制することが可能となる。Ｓ２２またはＳ２４の処理が完了すると、ＥＣＵ５０は、本ルーチンを一旦終了させ、本ルーチンの次の実行タイミングが到来するまで待機する。

本発明による内燃機関を示す概略構成図である。 図１の内燃機関の動作を説明するための図面である。 図１の内燃機関の動作を説明するためのフローチャートである。 図１の内燃機関におけるストイキ運転領域を説明するための特性図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 燃焼室
１５ スロットルバルブ
１５ａ アクセル位置センサ
１５ｂ スロットルモータ
２０ 過給機
２１ タービンインペラ
２２ 圧縮機インペラ
２３ 回転軸
２４ バイパス流路
２５ ウェイストゲートバルブ
２６ バルブ制御ユニット

Claims (4)

1. 燃焼室内で燃料と空気との混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関において、
   前記燃焼室から排出される排気ガスを利用して前記燃焼室に吸入される空気を過給する過給機と、
   前記燃焼室から前記過給機に供給される排気ガスの量を調整するための排ガス流量調整手段と、
   前記過給機の排ガス入口温度が所定値を超えると判断される場合に、前記過給機に流入する排気ガスの量が減少するように前記排ガス流量調整手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする内燃機関。
2. 前記燃焼室に吸入される空気の量を調整するためのスロットルバルブを更に備え、
   前記制御手段は、前記過給機の排ガス入口温度が所定値を超えると判断される場合に、前記過給機に流入する排気ガスの量が減少するように前記排ガス流量調整手段を制御すると共に、前記燃焼室に吸入される空気の量が増加するように前記スロットルバルブを制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 排気ガスを利用して燃焼室に吸入される空気を過給する過給機を備え、前記燃焼室内で燃料と空気との混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関の運転方法において、
   前記過給機の排ガス入口温度が所定値を超えると判断される場合に、前記過給機に流入する排気ガスの量を減少させることを特徴とする内燃機関の運転方法。
4. 前記過給機の排ガス入口温度が所定値を超えると判断される場合に、前記過給機に流入する排気ガスの量を減少させる一方、前記燃焼室に吸入される空気の量を増加させることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の運転方法。

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